宇宙是為生命而微調的嗎？
11-02-2021
BY MATT WILLIAMS
幾十年來，許多物理學家都認為，即使自然界基本定律發生最微小的變化，生命也將無法存在。 這個想法，也被稱為 “微調宇宙” 論證，表明宇宙中生命的出現對某些基礎物理學的價值非常敏感。 改變這些值中的任何一個（按照邏輯），生命將不復存在，這意味著我們一定很幸運能來到這裡！
但事實真的是這樣嗎，或者生命是否可以在不同的物理常數下出現，而我們只是不知道呢？ 澳大利亞悉尼天文研究所 (SIA) 的博士後研究員 Luke A. Barnes 最近解決了這個問題。 在他最近的著作《幸運的宇宙：微調宇宙中的生命》中，他和悉尼天體物理學教授 Geraint F. Lewis 認為，從物理學的角度來看，微調的宇宙是有意義的。
作者還在 Routledge Companion to Philosophy of Physics（第一版）中發表了一篇受邀投稿論文，總結了這些論點。在這篇題為“生命的宇宙微調”的論文中，Barnes 解釋了 調整”包括通過採用“可疑的精確假設”來解釋觀察結果。 他認為，這是整個歷史上不完整理論的症狀，也是現代宇宙學和粒子物理學的共同特徵。
在某些方面，這個想法類似於人擇原理，它指出任何解釋宇宙屬性的嘗試都不能忽視我們作為生命形式的存在。 這與宇宙學原理形成鮮明對比 - 又名。 哥白尼原理，以尼古拉·哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 的名字命名，他制定了宇宙的日心模型——該模型指出人類或我們在宇宙中的位置沒有任何獨特或特殊之處。
在之前的一篇論文中，巴恩斯和劉易斯認為，人擇原理遠非傲慢自大或“偽裝的宗教”，而是科學的必要組成部分。 在解決人類存在與宇宙之間的巧合時，這個宇宙足夠古老並且受有利於智能生命（即我們）出現的物理學支配，他們得出了一個簡單的格言：“任何巧合的解釋都必須考慮宇宙如何創造生命
能夠測量[它]。”
但正如巴恩斯通過電子郵件向今日宇宙解釋的那樣，人擇原理和微調宇宙之間存在一些顯著差異：
“我理解微調和人擇原理之間的關係如下。 微調指的是自然常數的微小變化會導致宇宙無法支持生命存在。 人擇原理說，如果物質生命形式存在，它們必須觀察到它們處於一個能夠維持它們存在的宇宙中。”
換句話說，巴恩斯指出人擇原理是一種不可證偽的陳述（又名重言式），它源於我們自身存在的“選擇效應”。 由於我們沒有可供選擇的智慧生命和文明種群，因此該原則本身無法被證偽。 與此同時，巴恩斯說，微調論點是“關於我們所知道的自然法則的令人驚訝的事實”。
微調宇宙的論點可以追溯到 1970 年代，當時物理學開始注意到自然基本常數或宇宙初始條件的微小變化將排除我們所知的生命。 如果宇宙和物理定律本身以不同的方式演化，那么生物生存所需的穩定性（在其所有復雜性中）將是不可能的。
但正如巴恩斯在他的總結論文中指出的那樣，這種邏輯與同一個老問題發生衝突。 就像古代的地心模型一樣，它包含了令人懷疑的精確假設，他開始逐一解決這些假設。 第一個與宇宙學常數
( Cosmological
Constant ,CC) 有關，這是愛因斯坦在 1917 年提出的一個想法，作為他的廣義相對論場方程的臨時補充。 CC 由字符 Lambda 表示，是一種可以“抵消引力”的力，從而確保宇宙保持靜止（當時流行的觀點）。
幾年後，當愛因斯坦得知天文學家已經證明宇宙正在膨脹時，他放棄了 CC，但自 1990 年代以來，這個想法已經被重新解釋。 意識到宇宙膨脹正在加速，物理學家開始假設愛因斯坦的 CC 可能是被稱為“暗能量”(DE) 的神秘力量。 這導致了被廣泛接受的宇宙學理論，稱為 Lambda 冷暗物質 (LCDM) 模型。
然而，CC 也代表了現代物理學中最重要的理論問題之一。 像暗物質一樣，DE 或重新發明的 CC 的存在被提出來解釋觀察和理論預測之間的差異。 就像托勒密的“本輪”用於合理化不符合地心模型的觀察一樣，CC 是一個“精確得令人懷疑”的假設。
此外，CC 與量子場論 (quantum field theory,
QFT) 存在不一致，量子場論將粒子描述為場的配置。 根據 QFT 的說法，在沒有粒子的情況下，一種被稱為“真空狀態”的特殊配置仍然存在。 但是，如果要相信關於
CC 和 DE 的理論，這將意味著在真空狀態下存在相當大的能量。
用 QFT 和廣義相對論可接受的術語來解釋這一點的唯一方法是假設真空能量和量子場的貢獻相互抵消。 再一次，這需要幾個獨立因素之間的“精確到令人懷疑”的巧合。 另一方面，粒子物理學標準模型告訴我們，物質由 25 種不同類型的亞原子粒子組成，分為四組（夸克、輕子、Guage Bosons 和 Scalar Bosons）。
這些粒子的存在及其各自的性質（質量、電荷和自旋）都已通過嚴格的實驗得到驗證。 這些特性中的任何一個最輕微的偏差都會顯著影響它們的相互作用和行為，導致物質完全不穩定。 時空維度也是如此，穩定的原子和穩定的行星軌道需要空間的三個維度（如牛頓所假設的那樣）。
具有三個空間維度和一個時間維度（如廣義相對論所描述的）的宇宙也是必不可少的。 巴恩斯說，再這樣下去，原子系統就無法保持穩定。 換句話說，雖然CC可能會提出理論問題，但標準模型和時空維度與微調模型是一致的。 正如巴恩斯所說：
“宇宙學常數在我們的方程式中無法解釋，並且僅在非常小的範圍內與允許生命存在的宇宙一致。 在粒子物理學和宇宙學的標準模型中，它的值是一個沒有動機的精確假設。 標準模型的許多其他常數是相同的。”
那麼，問題是如何在我們的傳統模型中解決這些問題？ 還有什麼可以解釋這樣一個事實，即我們的宇宙是允許生命存在的，而最小種類的變化會使這成為不可能？ 對此，巴恩斯和劉易斯建議多元宇宙可以拯救。 “也許是多元宇宙——我們的宇宙是偶然允許生命存在的，而且那裡還有許多其他多樣化的宇宙，”他說。
但與此同時，仍然存在任何不一致或不一致表明真相的可能性。 就像哥白尼一樣，他意識到行星的運動（這需要本輪和等距線才有意義）實際上表明模型是錯誤的，微調可能表明物理超出了標準模型或者模型本身需要 修訂。
“我認為一般的微調是更深入解釋的線索。 小概率可能只是小概率，或者它們可能是由一些不正確的假設產生的，”巴恩斯補充道。 “關於微調基本常數的有趣之處在於，它們目前處於科學解釋的底層。 它們和物理學一樣深奧（至少，在有證據支持的情況下）。”
巴恩斯和劉易斯還負責宇宙革命者手冊：（或：如何擊敗大爆炸），進一步詳述了他們的宇宙學理論和微調模型（2019 年出版）。
